爱因斯坦相对论未获得GPS支持,科普时

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郭衍莹曾任航空航天部研究室主任、总设计师、副总工程师、研究所技术顾问等职,是航空航天部有突出贡献专家,国务院特殊贡献津贴专家。

年9月11日,《科普时报》头版发表了郭衍莹撰写的文章“卫星导航系统的时钟需‘修正’吗”。文章指出,GPS等卫星导航定位系统无论是作定位还是校时,都无需专门进行“相对论校正”。因此如果希望通过卫星导航定位系统来证实相对论的正确,或者来否定相对论,都是不现实的。文章相当于指出,GPS并未支持爱因斯坦相对论。

有关专家指出,网上流传的所谓GPS卫星原子钟每天比地面原子钟快38微秒,因此会产生累计10千米左右定位误差,这实际上是相对论爱好者自己根据狭义相对论动钟变慢公式和广义相对论引力红移公式,套上GPS卫星数据,推理计算出来的。推理和计算过程存在大量错误,包括错误地理解和使用狭义相对论动钟变慢公式和广义相对论引力红移公式。GPS卫星包括不同高度、不同速度、不同方向的24颗卫星,GPS卫星原子钟都比地面原子钟快38微秒,稍有科学常识的人,都会看出这个说法与事实严重不符。下面全文转发郭衍莹发表在《科普时报》的文章。并链接相关文章。

卫星导航系统的时钟需“修正”吗

郭衍莹年9月11日《科普时报》头版

7月31日,我国的北斗三号全球卫星导航系统正式开通,引发包括专家学者在内很多网友,以及科普爱好者研究卫星导航定位的极大兴趣。

很多人关心,像北斗、GPS这样的卫星导航定位系统的时钟需作相对论修正吗?毕竟,GPS卫星在太空以极快的速度飞行,虽然比光速小很多,但这个速度已经不能忽略。

其实,这个问题一直众说纷纭。大体说来有三种意见:

第一种意见认为,GPS卫星在太空高速飞行,应按照相对论来考虑问题。

持这种论点文章很多,如《报刊文摘》(上海版)7月22日文章《相对论有什么用》指出,“GPS卫星上的原子钟每天比地面上的快38微秒。如不校准时间,定位位置将漂移,每天约10千米。因此,没有相对论就没有全球卫星定位系统”。

而《大学物理》杂志年2期《相对论效应对GPS的影响》一文指出,“本文从狭义相对论和广义相对论两方面论述了无论是运动时钟变慢,还是引力场中高处时钟加快的效应,都将对GPS系统时钟的精度产生不可忽视的影响。”

第二种意见的人自称少数派。他们大多对爱因斯坦相对论持怀疑甚至否定态度,其中的一些学者从理论上证明二个相对论修正公式都有错,有的学者还提出个要害问题:所谓修正只是对地面用户而言有效,难道GPS制导的导弹等用户需申请另行修正吗?

第三种意见也算是少数派。其中有些人是航天工程技术人员,他们主张用谨慎态度对待相对论。多年来还没有过硬的理论或实验可以否定它,但它毕竟是一种还没有经过实验验证的学说。GPS似乎就是个很好例子,并没有专门对相对论做修正。所以既不能说“没有相对论就没有GPS”,也不能说从GPS证明了相对论是错误的。

那么,卫星导航定位系统到底需不需要专门作“相对论修正”呢?

笔者于年曾与我国计量学专家乔石琼一起聘任刚成立的所“卫星定位通信系统”技术顾问。当时所对外称北京无线电控制测量研究所。所长童凯院士曾向我们介绍,他曾组团去美国考察GPS。美方GPS专家告知,GPS官方文件从未说过系统调试中需作“相对论修正”,也从未说过不需要作“相对论效应”修正。童院士个人理解,就是无需专门对卫星导航定位系统进行“相对论效应”修正。

我个人完全同意童凯院士的见解。理由简述如下:

GPS采用伪距差分法为地面用户定位。所谓伪距,是指测出的距离数据中还包括误差项,而这些误差对每颗GPS卫星都是一样的。按理说用三颗卫星就可对用户定位(三坐标三个未知数)。但GPS故意多测一颗卫星,目的是从四颗星测出四个伪距;再对四个伪距两两相减(即差分),相同的误差项被抵消,从而得出用户的三坐标。

实际上GPS在定位时的关键问题是确保所有GPS卫星的原子钟同步。这一点并不难做到,因为原子钟有足够的精度和稳定度,此外每天地面还要对它们例行二次时频修正。

除定位外,GPS另一重要功能是校时,即将地面用户的时钟同步至GPS的系统时(即国际UTC时),或者通过比对实现几台地面钟的时间同步。后者就是利用一颗GPS卫星实现几台地面钟时间同步。即国际计量局(BIPM)推荐的时间比对共视法。该法使地面几个标准时钟通过比对达到高精度的同步;或者用地面一个标准时钟(如国家授时中心)来对几个地面站进行校时,可获得10纳秒量级的时间同步。

GPS校时同样用到上述伪距差分的原理,所以同样可证明,无需专门修正相对论效应项。因为它存在也好,不存在也好,都会在测伪距和差分过程中被消掉。

综上所述,GPS等卫星导航定位系统无论是作定位还是校时,都无需专门进行“相对论校正”。因此如果希望通过卫星导航定位系统来证实相对论的正确,或者来否定相对论,都是不现实的。

(作者系原航空航天部有突出贡献专家,国务院特殊贡献津贴专家,曾任航空航天部研究室主任、总设计师、副总工程师、研究所技术顾问等职)

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